高性能普鲁士蓝类钠离子电池正极材料制备及电化学性能研究

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当前,发展可再生能源、推动电网智能化已成为能源领域的重要方向,作为平衡能源供给和消费的关键环节,电化学储能技术受到了广泛关注。钠离子电池具有与锂离子电池相似的工作原理,显著的资源和成本优势促使其有望在规模储能领域实现广泛应用。开发高性能正极材料对于钠离子电池的发展与应用至关重要。作为一类三维开框架结构材料,普鲁士蓝类似物可以实现钠离子可逆脱嵌,具有较高的理论比容量和工作电位。同时,资源丰富、合成简便和环境友好等优势使得其在钠离子电池中具有很好的应用前景。本文围绕普鲁士蓝类似物中极具应用前景的Na2MnFe(CN)6(MnHCF)和Na2FeFe(CN)6(FeHCF)两类材料展开了研究,通过PEDOT导电聚合物包覆提升了MnHCF的循环和倍率特性,结合合成温度和反应液成分调控实现了富钠FeHCF的制备。主要工作总结如下:(1)MnHCF具有组成元素资源丰富、工作电位高、富钠结构易得等显著优势。然而,其差的电子导电性导致了严重的电化学极化问题,同时在电化学循环过程中存在相变和过渡金属溶出等问题,造成电极循环性能较差。针对以上问题,本文通过原位聚合法成功制备了MnHCF@PEDOT复合材料,一方面抑制了循环过程中的相变和过渡金属溶出,另一方面促进了电容存储行为,实现了循环和倍率性能的显著提升。MnHCF@PEDOT在0.1 C时比容量高达147.9 mAh g-1,在20 C大倍率条件下仍保持90.2 mAh g-1,在10 C倍率1000次循环后,容量保持率达78.2%。甚至在-10℃的低温下,MnHCF@PEDOT仍可提供87.0 mAh g-1的高比容量,500次循环后仍保持82.2%。(2)FeHCF作为钠离子电池正极材料普遍存在初始钠含量低的瓶颈问题。本文系统研究了反应液中合成温度、NaCl浓度等对FeHCF初始钠含量、形貌、结构和循环性能的影响。结果表明,提升合成温度有助于降低样品的缺陷含量、提升初始钠含量。在100℃、1 mol L-1 NaCl添加的条件下实现了富钠FeHCF制备,其分子式为Na1.89Fe[Fe(CN)6]0.930.07·2.31H2O(□代表[Fe(CN)6]4-空位),充放电比容量分别为160.3和146.6 mAh g-1
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